Ce dossier comporte trois textes:
1-Révolution en astronomie. Le plus facile à comprendre. Il résume l'ensemble.
2-Notre vision de l’univers bouleversée par l’effet CREIL. Ce texte entre déjà dans les détails.
3-Effet CREIL en astronomie. Le troisième texte demande plus de culture. Il se réfère à des publications scientifiques qui sont les fondements des trois textes du dossier.
Les galaxies ne s’éloignent plus de nous. L’Univers n’est plus en expansion. La loi de Hubble s’applique encore aux galaxies, mais elle ne s’explique plus par l’effet Doppler. Cet effet est remplacé par un effet optique nommé CREIL découvert par le professeur français Jacques Moret-Bailly.
Tous les spectres de raies décalées en fréquence, et provenant des astres, ne sont interprétables que par l'effet CREIL ou l'effet Doppler ou une combinaison des deux. Tous les autres effets imaginés pour rendre compte des observations (comme par exemple l'effet Compton) brouillent les images ou les spectres. L’effet CREIL est indispensable à une interprétation des spectres très complexes d'astres nommés quasars sans faire appel à la magie d'une "matière noire" et à d'autres concepts étranges.
L’effet CREIL se produit dans le vide de l’espace. Ce vide est plus vide que le meilleur des vides que l’on sait créer sur terre, mais il contient un gaz ténu, constitué principalement d’hydrogène. Ce gaz, très transparent, est parcouru par la lumière "chaude" venant des étoiles et par le rayonnement thermique à 2.7 kelvins popularisé par les prix Nobel Penzias et Wilson (lumière "froide"). L'effet CREIL se produit aussi dans un gaz plus chaud (quand il est localisé près d'un astre à haute température). Comme dans un laser, certaines particules du gaz interagissent avec les lumières, sans provoquer de déviation des faisceaux donc sans troubler les images des étoiles. Cette interaction transfère de l'énergie de la lumière "chaude" vers la lumière "froide". Il en résulte une légère baisse globale des fréquences de la lumière chaude et une hausse pour la lumière froide. Il est équivalent d’écrire que le spectre de la lumière des étoiles est décalé vers le rouge, et celui de la lumière froide vers le bleu (pour le rayonnement thermique, ce bleuissement est un réchauffement, une amplification). Cet effet, qu'un spécialiste des lasers et des micro-ondes considère comme si banal qu'il a reçu en optique le nom spécifique de "paramétrique", a été négligé jusqu'à présent par les astrophysiciens. (L'exemple le plus simple d'effet paramétrique est la réfraction.) La matière gazeuse, étant répartie assez uniformément dans l’univers (en dehors des astres), l’effet étant cumulatif, le décalage vers le rouge est en gros proportionnel à la quantité de matière traversée, donc souvent à la distance. Plus le spectre d’un astre est décalé vers le rouge, et plus l’astre est éloigné : c’est la loi de Hubble, expliquée désormais par l'effet CREIL et non par l’effet Doppler qui introduit une expansion de l'Univers. L’effet Doppler n'intervient plus que comme conséquence des mouvements réels et souvent locaux des astres. Il n'est plus possible d'attribuer avec certitude une vitesse à un astre uniquement sur la constatation d'un décalage spectral, comme cela a été fait couramment. (Par contre une vitesse implique un décalage.) L'expansion de l'Univers devient douteuse.
L’effet CREIL reclasse les quasars en étoiles en fin de vie, ou au moins en astres plus proches et plus petits. Le rougissement qu’on attribuait à l’effet Doppler plutôt qu'à l'effet CREIL dans un halo gazeux les entourant, donnait aux quasars des masses, des distances et des luminosités faramineuses, qui en faisaient des monstres. Les distances énormes attribuées aux quasars par la loi de Hubble, excluait qu’on puisse les considérer comme des étoiles, leur luminosités étant trop faibles pour qu’on puisse les voir aux confins de l’Univers. Par contre, selon la théorie de l'évolution des étoiles, des étoiles nettement plus massives que le Soleil et en fin de vie, sont brillantes, très chaudes en surface, et entourées d’un nuage d’hydrogène sale, qui par effet CREIL local au voisinage de chaque étoile, provoque un important décalage du spectre vers le rouge. Le spectre calculé d'un tel astre, entouré de couches d'hydrogène de températures décroissant avec la distance, coïncide exactement avec le spectre observé d'un quasar. La loi de Hubble ne s’applique pas à cet effet local (intrinsèque). Les quasars ne sont plus que de simples étoiles ordinaires très brillantes.
L'effet CREIL explique aussi le bleuissement des ondes de radio envoyées par les sondes spatiales Pioneer, l'énergie nécessaire à ce bleuissement provenant du rougissement de la lumière solaire qui baigne la trajectoire des ondes. L'existence de cet effet CREIL dans le système solaire, avec une expérience dont on maîtrise tous les paramètres, permet une généralisation à tout l'espace, et augmente le doute sur l'expansion de l'Univers.
Les conséquences sont révolutionnaires en astronomie, car sans expansion de l’Univers, le big-bang est remis en question, et avec lui, toutes les audacieuses constructions qui s’y rattachent. L’interprétation de l'état de l'Univers est simplifiée.
CREIL ? Ne cherchez pas. Ce n'est pas la ville du même nom. C'est le nom provisoire d'un effet optique découvert par le professeur français Jacques Moret-Bailly, un effet qui serait marginal s'il n'avait d'énormes répercussions en astrophysique. L'effet CREIL est aussi important que l'effet Doppler, qui expliquait la loi de Hubble, celle qui a dicté les distances proposées pour les galaxies et les quasars, et donc modelé la forme de notre univers. L'effet CREIL, permet de garder la loi de Hubble pour les galaxies, mais en donne une autre explication. La loi de Hubble ne s'applique plus aux quasars, qui avec elle, étaient des astres monstrueux placés aux confins de l'univers. Les quasars deviennent de simples étoiles en fin de vie, perdant leurs milliards d'années-lumière de distance. Ce n'est pas tout : l'univers n'est plus en expansion, et le big-bang n'est plus une idée qui s'impose. Ce vulgaire petit effet optique, qui avait été négligé jusqu'à maintenant transforme radicalement notre conception de l'univers.
Cet article de vulgarisation, simplifié pour être plus accessible, mais qui se veut sans concession sur sa valeur scientifique, se fonde sur les publications du professeur Jacques Moret-Bailly, qui a découvert l'effet CREIL en réalisant un classement de tous les effets optiques. La case de l'effet CREIL n'était pas encore remplie. Il a eu l'idée de rechercher où pouvait se manifester cet effet, inconnu jusqu'alors. Les publications les plus récentes sur l'effte CREIL ou leurs copies sont sur le site Internet http://arxiv.org (et sur http://jean.moretbailly.free.fr) en anglais et fichiers pdf, avec les références aux travaux antérieurs. Il suffit sur ce site de chercher dans tous les domaines en donnant le nom de l'auteur. Le document en français de Jacques Moret-Bailly, Effet CREIL en astronomie, placé à la suite de celui-ci, explique l'effet CREIL. Il demande, pour être compris, une culture minimale, mais moins poussée que celle des autres publications. Ce document n'est pas traduit dans la version en langue anglaise.
La théorie de l'effet CREIL a été publiée dans plusieurs revues d'optique ou de spectroscopie. L'effet CREIL n'est pas contesté par les spécialistes de l'optique, pour lesquels il se classe dans les effets classiques, mais il est encore peu connu des astronomes, qui sont pourtant les premiers concernés.
On observe au laboratoire un effet qui obéit à la même théorie optique, effet nommé "Impulsive stimulated Raman Scattering (ISRS). La différence est la nature des sources de lumière utilisées : lumière naturelle pour le CREIL, impulsions laser femtoseconde pour l'ISRS. La théorie montre les conséquences de cette différence.
L'effet CREIL permet d'interpréter simplement de nombreuses observations astronomiques sans faire appel à des concepts étranges comme la matière noire, la synthèse du fer dans des astres jeunes, en spectroscopie une variation de la "constante de structure fine" .
Cet article a été vu par Jacques Moret-Bailly, pour en exclure toute contre vérité scientifique.
L’univers, tel qu’il est décrit classiquement dans tous les manuels à la fin du vingtième siècle, est constitué de vide et de galaxies contenant des étoiles. Près de nous, le Soleil fait partie de notre galaxie Voie Lactée, avec des étoiles dont les plus proches sont à plusieurs années-lumière. Plus les galaxies sont lointaines, plus elles s’éloignent rapidement de nous, dans un mouvement général d’explosion. C’est l’expansion de l’univers. La loi de Hubble, fondée sur le rougissement des spectres, relie approximativement le décalage des raies du spectre à la distance. Le décalage vers le rouge des spectres est attribué à l'effet Doppler, lié à la vitesse d'éloignement. L’origine de l’explosion est le big-bang, placé au début de l’âge de l’univers qu’on fixe à environ 13,7 milliards d’années. L’univers, très chaud au début, s’est refroidi. Il lui reste une température moyenne de 2,7 K, proche du zéro absolu, mais non nulle.
Les quasars les plus lointains sont des astres observables à plusieurs milliards d’années-lumière. Puisque la lumière a une vitesse très grande, mais finie et constante dans le vide, de 300 000 km/s, il faut rajeunir ce qu’on observe du même nombre d’années que les années-lumière d’éloignement.
Nous observons le monde, par l’intermédiaire des ondes électromagnétiques émises par les constituants du monde. Nous écrivons lumière, même pour ce qui n’est pas visible, en sous-entendant toujours ondes électromagnétiques. Les ondes de radio ont l'avantage d'être à notre échelle et d'avoir des antennes émettrices et réceptrices à notre échelle. Les émetteurs et récepteurs moléculaires, pour les ondes dont la longueur d'onde est de taille moléculaire, ne sont pas observables directement, car ils sont trop petits, mais on en connaît les propriétés. Les propriétés émettrices et réceptrices diffèrent d'une molécule à l'autre.
La lumière est étudiée depuis longtemps. Les émetteurs de lumières sont nombreux : presque toutes les matières rayonnent, et de multiples façons. Tous les corps chauds rayonnent, même les plus froids. La matière peut de même absorber ou modifier la lumière. Les interactions entre lumière et matière sont de plusieurs types. Les spécialistes de l’optique sont parvenus à les classer et les comprendre. Ils ont été aidés dans leurs recherches par la découverte des masers et des lasers, et l’analyse qu’ils ont pu faire des lumières dites cohérentes ou incohérentes. Les interactions peuvent être brutales, avec des variations d’énergie quantifiées de la matière, ou très douces avec des effets cumulatifs.
Une molécule (plus généralement, toute matière) peut devenir émettrice de lumière, si elle a reçu de l’énergie, par exemple par un choc ou une autre lumière. Elle se désactive en émettant un train d’onde lumineux dont la durée est variable mais souvent d’environ 5 ns (5 nanosecondes = 5 milliardièmes de seconde). Ce train, constitué d’environ 2 millions d’ondulations sinusoïdales, se déplace à la vitesse de la lumière, et a environ 1,5 m de long. C’est une onde cohérente sinusoïdale si l’on néglige l’effet des extrémités. La molécule a des voisines qui émettent aussi de la même manière, sans synchronisation avec la première. L’ensemble de ces multiples émissions est incohérent, et forme la lumière naturelle ordinaire.
Dans un laser, les molécules, excitées par une source convenable d’énergie, sont capables d’amplifier la lumière qu’elles reçoivent en gardant la direction d’origine et la cohérence. Par effet cumulatif, on obtient une onde longtemps cohérente dans le temps. Avec les ondes cohérentes, les effets cumulatifs et les interférences sont plus faciles à observer.
La lumière traverse les matières transparentes, comme le verre ou des gaz, en transmettant bien les images. On pense alors que la matière intervient peu. En réalité, la modification effectuée par la matière sur la lumière est souvent importante. Ainsi, une vitre décale les images dans l'espace et oblige la lumière à se tordre dans la vitre. La lumière qui traverse la matière est filtrée par cette matière. Ce filtrage peut conduire à des modifications des intensités, des fréquences et des directions.
De nombreux termes décrivent le comportement de la lumière en présence de matière : absorption, réfraction, amplification, diffusion, dispersion, polarisation, déviation, etc. Les interactions entre lumière et matière sont si multiples que beaucoup s’y perdent.
Réversibilité des interactions de la lumière avec la matière.
L'absorption et l'émission de la lumière par la matière sont des effets inverses. L'effet qui se produit est commandé par une dissymétrie énergétique : une molécule excitée a un surplus d'énergie dont elle se débarrasse en émettant de la lumière, mais la molécule en état énergétique bas peut s'exciter en recevant la lumière. Il y a réversibilité, transfert possible de l'énergie dans un sens ou dans l'autre, entre matière et lumière, et cela avec pratiquement tous les types de transfert. Chacune des fréquences d'un rayon de lumière est associée à une énergie lumineuse et aussi à une température par une formule donnée par Planck. L'interaction de la lumière avec la matière tend à rapprocher la température de la matière des températures de Planck de la lumière aux diverses longueurs d'onde.
L'émission thermique d'un corps chaud (même non noir, donc ordinaire) le montre bien. Le corps noir évoqué ici est lumineux pour un physicien : c'est un corps idéal absorbant toutes les lumières, donc dit noir, mais émettant aussi les lumières liées à sa température (émission thermique).
Faisons transmettre ou réfléchir de la lumière par de la matière homogène ayant la même température : l'effet est neutre. Maintenant, baissons la température de cette matière, ce qui, pour un corps noir, diminue plus l'intensité aux courtes longueurs d'onde qu'aux grandes. Le spectre de la lumière tend vers la température d'un corps noir plus froid, et, en général devient plus rouge.
Les effets précédents font généralement intervenir une excitation ou désexcitation quantifiée de la matière. Mais il existe aussi des « effets paramétriques » interactions de la lumière avec la matière qui ne modifient que légèrement et temporairement l'énergie de la matière. L'effet paramétrique le plus courant est la réfraction liée à une polarisation dynamique souvent fugitive de la matière.
Le contact de plusieurs corps amène les plus chauds à se refroidir, les plus froids à se réchauffer. Plusieurs rayons de lumière peuvent, de la même façon, changer leurs températures en échangeant de l'énergie, ce qui abaisse la fréquence des rayons chauds, et augmente celle des rayons froids. L'effet CREIL est possible quand la matière a les propriétés nécessaires pour provoquer un « contact » des rayons. La matière joue alors un rôle de catalyseur via une interaction paramétrique.
Il faut que la matière soit un gaz dilué possédant des « résonances quadrupolaires » à des fréquences comprises environ entre 1 et 300 mégahertz. Comme l'effet CREIL est un effet paramétrique, dans un milieu homogène il ne brouille pas les images. En négligeant les dispersions des propriétés optiques du gaz, la variation relative des fréquences des rayons très chauds ne dépend pas de leur fréquence, ce qui est aussi le cas avec un effet Doppler.
Il est possible d’établir une carte du ciel, fixant les positions angulaires des astres grâce aux trajets généralement rectilignes de la lumière. En plus de la connaissance de la direction, l’analyse de la lumière de chaque astre, principalement l’étude du spectre, donne à peu près tous les renseignements connus. Chaque jour, les astronomes accumulent des données de plus en plus précises. Dans le vide, la lumière, loin de la matière, se propage en ligne droite. L’univers étant presque vide, en première approximation, on observe une étoile dans la direction où elle est. La lumière peut être absorbée, diffusée ou réfractée par la matière, déviée par l'attraction d'astres massifs.
Il y a de la matière dans l’univers, même en dehors des étoiles. Le vide interstellaire n’est pas parfait. Il contient beaucoup de matière, et en particulier de l’hydrogène, le constituant majoritaire de l’univers. Ce vide est plus vide que le meilleur des vides que l’on sait réaliser sur terre. Mais, vu les grandes distances que parcourt la lumière pour nous parvenir, la lumière passe à travers des molécules constituant un gaz très ténu. Ce gaz, assez homogène, brouille rarement les images, mais il faut bien admettre que la lumière qui nous parvient des étoiles a traversé de la matière, et parfois beaucoup.
Près de certains astres, il y a aussi beaucoup de matière. En particulier, les astres qui se contractent, tournent de plus en plus vite pour garder un moment cinétique constant, deviennent instables, et finissent par éjecter de la matière pour retrouver leur stabilité. Les quasars sont probablement dans ce cas. La lumière émise par l’astre et tous les émetteurs plus ou moins gazeux qui l’entourent, traverse des couches de matière plus ou moins chaudes qui en modifient l’intensité et le spectre sans en perturber énormément la direction d'observation. Le spectre d’un corps très chaud contient des raies dont les fréquences sont caractéristiques de la composition de la matière émettrice ou absorbante. Ce spectre est bien connu, mais dans le cas des astres lointains, il est décalé vers le rouge. Jusqu'à la fin du vingtième siècle, ce décalage était traditionnellement expliqué par l’effet Doppler, donc lié à la vitesse d’éloignement de l’astre.
Le problème, avec les quasars, est que le décalage est si fort, qu’il faut placer les quasars presque aux limites de l’univers, à des milliards d’années-lumières. Pour voir un astre à ces distances, il faut lui attribuer une luminosité faramineuse, du même ordre de grandeur que celle des galaxies : des accumulations de milliards d'étoiles. Ce type d’astre est inclassable, et pourtant, il existe, en multiples exemplaires. L’idée est d’attribuer au décalage des raies une autre origine que l’effet Doppler, mais quel effet ? Les astrophysiciens se sont cassés les dents sur un substitut à l’effet Doppler. Des explications farfelues ont fleuri. Elles ont toutes été écartées, jusqu’à ce que le professeur d’optique Jacques Moret-Bailly propose l’effet qu’il appelle CREIL.
Cet effet est un enfant de l’optique classique, celle qui permet d’expliquer les multiples interactions entre matière et lumière, et qui nous a fourni ces merveilleux instruments que sont les lasers. Les conditions à respecter pour que l’effet se manifeste sont les suivantes. Longs trajets lumineux dans un gaz peu dense (presque le vide), et présence de quelques matières particulières qui provoquent l’effet (des molécules ou atomes plus ou moins ionisés, plus aptes que d'autres à provoquer des interactions avec la lumière : nommons les des catalyseurs). L’une de ces matières est la molécule d’hydrogène ayant perdu un électron, que l'on peut trouver dans les espaces intersidéraux froids. Cet ion a une durée de vie courte s’il est soumis à des chocs, mais dans le vide poussé, sa durée de vie est assez longue, et il est généré par des rayonnements ultraviolets. Il existe d'autres allotropes et combinaisons d'isotopes de l'hydrogène dotés des mêmes propriétés. L'hydrogène chaud, qui peut se trrouver près d'un astre chaud convient aussi. La lumière qui traverse ce gaz est très légèrement décalée vers le rouge par effet CREIL. Il faut des parcours astronomiques pour obtenir un effet palpable. Mais l’effet est cumulatif : plus on traverse de gaz, et plus le décalage est grand. Sauf pour les énormes décalages où l'on décèle des différences, l’effet CREIL a un résultat très analogue à l’effet Doppler, et on peut les confondre, mais la vitesse de la source ou les vitesses des molécules ne sont pas en cause avec l'effet CREIL. Il n’y a que la quantité de matière traversée pour donner le décalage.
Le gaz de l’espace intergalactique a une température voisine de 2,7 K. Il émet et absorbe un rayonnement thermique qui est en équilibre avec lui. Les transferts de chaleur ont lieu dans un gaz par rayonnement, et par convection et conduction localement. Le rayonnement est prépondérant dans les milieux étendus transparents comme l’espace. Le gaz de l’espace est très transparent, ce qui permet des échanges à grande distance, mais ralentit considérablement la vitesse d’échange de chaleur par le rayonnement. Les sources de chaleur, comme les étoiles, envoient des rayonnements qui traversent le gaz facilement sans beaucoup interagir. Ainsi, la plupart des observations astronomiques ne tiennent pas compte du passage de la lumière à travers le gaz. On a donc un gaz, à 2,7 K, parcouru par de la lumière froide venant d’un corps à 2,7 K, mais sans interaction importante entre les deux. L'effet CREIL est l' interaction la plus importante, et elle se manifeste par le décalage de fréquence des rayonnements de courte longueur d'onde, et l'équilibrage thermique donnant le rayonnement à 2,7K. Les lumières chaudes ou froides, qui traversent simultanément le gaz, se croisent et ne sont pas déviées. Elles rapprochent légèrement leurs températures et leurs fréquences par effet CREIL. Près des étoiles, mais toujours dans un gaz dilué, la lumière de l’étoile est la plus chaude. Elle communique aux autres lumières plus froides une partie de sa chaleur par effet CREIL en augmentant les fréquences. La lumière de l’étoile est décalée vers le rouge, et les autres lumières vers le bleu. Ainsi, les ondes de radio, qui ont une température seulement un peu plus élevée que 2,7 K, loin des émetteurs, augmentent leur fréquence quand elles baignent dans une forte lumière comme celle du soleil, sur de longues distances.
L'effet CREIL (chaud) se produit dans les couches de gaz chaud se trouvant autour de certains astres très chauds comme les quasars, les ions de l'hydrogène permettant l'effet. Cet effet chaud est assez intense pour provoquer un fort décalage des raies du spectre. Le rougissement, lié à l'astre, est intrinsèque. Le spectre CREIL chaud d'un tel astre diffère un peu d'un spectre Doppler.
La réfraction est un effet optique paramétrique comme l'effet CREIL. Elle est due à l'émission par une polarisation dynamique de la matière, d'une onde retardée de pi/2 qui interfère avec l'onde excitatrice. La réfraction, comme tous les effets paramétriques, fonctionne même aux niveaux lumineux les plus faibles. L'énergie de polarisation est proportionnelle à l'intensité lumineuse excitatrice.de sorte qu'elle est échangée dynamiquement avec l'onde (bilan final nul en négligeant l'absorption). Si plusieurs faisceaux sont réfractés simultanément dans la même matière, plusieurs polarisations dynamiques (de fréquences différentes) apparaissent dans chaque molécule. L'effet CREIL correspond à un transfert d'énergie dans chaque molécule, transfert qui change les fréquences de polarisation.
L'effet CREIL est le seul effet optique cohérent et intense que l'on puisse avoir dans l'espace. Il ne brouille pas les images, et a longtemps été ignoré. L'extrême raréfaction du gaz et les distances nécessaires pour qu'il se manifeste, rendraient très coûteuse son observation dans une expérience de laboratoire. Généralement négligeable, il n'est important que sur des distances astronomiques. Il ne se voyait pas, caché derrière l'effet Doppler. Désormais, l'effet CREIL se montre aussi important que l'effet Doppler en astrophysique
L’effet CREIL explique fort bien le spectre des quasars. Ce spectre est fortement décalé vers le rouge à cause de la grande quantité de gaz qui entoure localement le quasar, mais encore sur des distances astronomiques. L'effet CREIL empiète sur l’effet Doppler. De combien ? Il est difficile de trancher, car les deux effets peuvent se cumuler. Cependant, l'effet CREIL explique si bien la complexité des spectres des quasars, en éliminant le recours à de la matière noire et autres artifices, que son intervention est indiscutable. De même, les observations de plusieurs quasars les lient assez remarquablement à des galaxies proches pour qu’ils semblent appartenir au même système d’astres, de sorte que l’essentiel de leur rougissement parait intrinsèque. L'effet Doppler existe toujours, comme le montrent les quelques galaxies proches qui ont un spectre décalé vers le bleu, et qui viennent vers nous. Mais ce sont des mouvements locaux, et les galaxies lointaines ont toutes un spectre décalé vers le rouge. À la limite, pour les quasars, on peut attribuer presque tout à l’effet CREIL, et ramener les quasars plus près de nous, l'effet Doppler restant marginal. Les quasars ne sont plus des astres d'une luminosité hors limites. Ce sont de simples étoiles, étoiles en fin de vie, transformées en étoiles à neutrons, ayant expulsé une bonne partie de leur matière au moment de leur effondrement sur elles-mêmes, quand les protons des noyaux ont fusionnés avec les électrons des atomes pour créer des neutrons. Leur température de surface étant extrèmement élevée, elles sont très brillantes. On a cherché ces étoiles (en accrétion), prévues par la théorie de l’évolution des étoiles ! Personne n’avait compris qu’on les voyait depuis longtemps, en les appelant quasars, car l’effet Doppler était intouchable.
Soyons iconoclastes. Enlevons aussi la plus grande partie de l’effet Doppler des galaxies lointaines, et remplaçons le par l’effet CREIL (froid) dans le gaz raréfié froid qui se trouve entre ces galaxies et nous. Il y a d’autant plus de gaz qu’elles sont lointaines, si l’on admet une répartition assez uniforme du gaz dans l’univers. L'effet CREIL est alors d'autant plus important que la distance est grande, et il se substitue à l'effet Doppler pour expliquer la loi de Hubble qui relie la distance au décalage. Sans l'effet Doppler, nul besoin de donner une grande vitesse à ces galaxies, mais elles restent à grande distance, comme le montre leur luminosité. On peut envisager un univers assez statique, avec seulement des mouvements locaux, se débarrasser de l’expansion de l’univers, et par la même occasion du big-bang. La loi de Hubble reste valable en l'absence de nuages gazeux locaux, ce qui est sensiblement réalisé pour les galaxies, mais non pour les quasars. L'effet CREIL intrinsèque peut exister ici et là, comme on le détecte avec certaines étoiles doubles, et perturber la loi de Hubble.
La température de l’univers s'explique autrement que par les radiations fossiles des restes du big-bang. Grâce à l’effet CREIL, la matière et les radiations interagissent thermiquement. L’énergie passe du chaud au froid à 2,7K en respectant le second principe de la thermodynamique, mais l'effet CREIL n'implique pas un éventuel équilibrage définitif du rayonnement thermique à cette température.
Cette construction de l'univers autour de l'effet CREIL est très satisfaisante pour l'esprit. Sa simplicité et sa grande coïncidence avec la réalité plaident en sa faveur. Le nombre des astrophysiciens qui s'y rallient est de plus en plus grand, tout en restant encore faible, l'inertie devant l'évolution étant naturelle.
L’effet CREIL ne se limite pas à expliquer ce que nous voyons des étoiles. Il s’applique aussi à un effet observé avec les sondes spatiales Pioneer 10 et 11 qui ont été envoyées par la NASA au delà de la limite conventionnelle du système solaire. Les ondes de radio de ces sondes sont légèrement décalées vers le bleu, donc leur énergie augmente avant de nous parvenir. On a là un effet inverse de ce qui est observé pour la lumière des quasars et des galaxies dont l’énergie diminue au bénéfice de rayonnements plus froids. En effet, le rayonnement thermique (qui, pour les auditeurs de la radio constitue un bruit de fond) et les ondes radio (qui ne sont pas beaucoup plus puissantes à quelque distance de Pioneer) reçoivent, par effet CREIL de l'énergie du rayonnement solaire.
Les supernovas SN1a ont une luminosité fonction croissante de la période de pulsation. En comparant la luminosité de 2 supernovas de périodes identiques, une lointaine et une proche, on obtient la distance de l’une en fonction de l’autre. Ces supernovas sont des étalons utiles pour évaluer les distances lointaines. La comparaison demande quelques corrections. Si le rougissement élevé des supernovas lointaines est attribué à l’effet Doppler, la vitesse élevée d’éloignement provoque une dilatation de la période, et il est nécessaire d’en tenir compte pour la comparaison. La plus importante correction de la méthode standard consiste à rectifier la période des supernovas en fonction de la vitesse déduite du rougissement attribué intégralement à l’effet Doppler. On observe alors un comportement différent des supernovas proches et lointaines, dont on a déduit l’accélération de la vitesse d’expansion de l’univers qui a fait grand bruit quand elle a été avancée. Jerry W. Jensen (arxiv.org/pdf/astro-ph/0404207 du 4 avril 2004) donne une interprétation qui élimine les anomalies. La plus grande partie du rougissement est à attribuer à l’effet CREIL, et il ne reste presque plus rien pour l’effet Doppler. Les vitesses des lointaines supernovas sont faibles. Il en résulte un univers quasi statique, sans expansion importante.
Voilà : l’univers est bouleversé par l’effet CREIL. L’effet Doppler a trouvé un substitut, même s’il continue d’exister, en écho aux mouvements locaux. Il faut revoir tous nos manuels, tous les livres d’astronomie, et c'est sérieux. L’effet CREIL a été contrôlé et encore contrôlé par les spécialistes de l’optique. Son importance en astrophysique apparaîtra aussi grande que celle de l’effet Doppler. Les astrophysiciens renonceront à la loi de Hubble pour les quasars. Adieu les montagnes de considérations philosophiques sur le big-bang et l'expansion de l'univers. Beaucoup d'audacieuses constructions s’effondrent. L’effet CREIL simplifie notre vision de l’Univers.
L'effet CREIL, commençant seulement à être connu, il suscite des réactions variées. Elles vont de l'approbation sans réserve au rejet.
Nous sommes heureux d'être approuvés par de nombreuses personnes, mais il est normal de discuter avec les contradicteurs. Le rejet est souvent épidermique et global. On ne touche pas à ce qui a été admis jusque-là. Il y a heureusement des rejets argumentés, ce qui permet de répondre point par point. Le reproche le plus fréquent est cependant l'attaque de positions admises. Il est vrai que de nombreuses alternatives proposées à l'effet Doppler, soit sont aussi fantaisistes que le mouvement perpétuel, soit font appel à une matière inconnue, soit sont simplement insuffisantes parce qu'elles brouillent les images ou les spectres. Ces inventions allant contre les observations et les principes fondamentaux de la physique, il est impossible d'y adhérer. Nous n'allons pas, avec l'effet CREIL, contre des principes fondamentaux. C'est le contraire : nous appliquons les bonnes vieilles règles de l'optique. Nous ajoutons à l'effet Doppler qui est incontestable, à un éventuel effet d'expansion de l'Univers, et à un effet gravitationnel d'importance généralement très limitée, un autre effet tout aussi incontestable à moins de nier l'existence de l'optique cohérente qui permit de concevoir les lasers. L'effet CREIL existe. Notre démarche vise seulement à faire reconnaître que l’effet CREIL a une contribution majeure dans l'explication de spectres de raies non flous venant d'images non floues d'astres observés avec nos instruments. L'effet CREIL et l'effet Doppler sont les deux piliers de l'explication des spectres de raies décalés en fréquences. En les utilisant ensemble, toutes les observations s'interprètent simplement. Il est évident que toutes les constructions que nous pouvons bâtir s'effondreraient si l'effet CREIL n'existait pas. Personne n'a encore trouvé de faille dans l'effet CREIL. L’aval des spectroscopistes et des spécialistes des lasers rapporteurs de plusieurs revues spécialisées et renommées a été obtenu. Il nous semble suffisant, et la remarquable interprétation des spectres complexes des quasars serait aussi suffisante pour emporter l'adhésion. L'addition de l'effet CREIL aux autres effets déjà considérés, en particulier à l’effet Doppler, est le fondement de nos constructions. Sans être devins, partant de là, nous pouvons formuler des hypothèses.
Cherchons où appliquer l'effet CREIL. Comme on a appliqué l'effet Doppler, faute de mieux dans le passé, même quand il ne collait pas parfaitement, il est logique de chercher, quand l’effet Doppler a été utilisé sans résultat probant, s’il n’est pas opportun de le remplacer (au moins partiellement) par de l'effet CREIL.
Regardons le spectre des quasars. Il est très complexe, ayant de nombreuses raies dont la forme, la position, la corrélation avec des émissions radio, ne peuvent être expliqués sans l’effet CREIL qu'avec de nombreuses hypothèses peu convaincantes (matière de nature inconnue, etc.). Par contre, on obtient exactement ce spectre complexe par une étude élémentaire du spectre d'un astre très chaud entouré de couches de gaz à température progressivement décroissante quand on s'en éloigne. L’effet CREIL réalise le rêve de tout spectroscopiste, qui est de trouver les positions des raies d'un spectre complexe sans introduire un seul paramètre ! De là à admettre qu'on est en présence d'une étoile très chaude en accrétion, il n'y a qu'un pas. Les seules étoiles se trouvant dans ces conditions sont probablement les étoiles à neutrons dans la phase d'accrétion. Tout cela est hypothèse mais semble bien correspondre à la réalité.
Les émissions radio des sondes Poineer 10 et 11 étaient inexplicablement décalées vers le bleu. Pour attribuer ce décalage à l'effet Doppler et changer la vitesse, il fallait bouleverser les lois de la gravitation. Ce décalage est produit par l'effet CREIL, l'énergie nécessaire provenant du rougissement de la lumière du Soleil coupant la trajectoire des ondes de la sonde.
On nous demande souvent à quelle distance sont les quasars ? Tentons de répondre : Un célèbre astrophysicien, Halton Arp qui a dû quitter les Etats Unis pour l'Allemagne car il critiquait trop le “tout Doppler”, a trouvé plusieurs alignements de quasars avec une galaxie. Souvent, cette galaxie dont le rougissement est faible, donc qui paraît proche, est centre de symétrie apparent. Ces alignements sont trop nombreux pour être dus au hasard. Sans correction de la distance déduite du rougissement en ne tenant pas compte de l'effet CREIL, les quasars considérés éloignés et la galaxie plus proche définissent un plan contenant la Terre. La Terre, qui est à l'intersection de tous les plans ainsi définis, devient un point singulier (centre du monde ?). Soyons réaliste : les alignements n'existent pas seulement en apparence sur la voûte céleste ; ils sont réels dans l'espace. Les quasars, en dépit de leur rougissement élevé, sont voisins de la galaxie, donc à la même distance. Il se peut qu'un couple de quasars provienne de la dislocation d'un astre allongé en cigare par la force centrifuge. Il reste à évaluer la distance (et la nature) de la galaxie dont on ne connaît pas le rougissement intrinsèque (Ce terme “rougissement intrinsèque” commence à s'introduire dans des revues “sérieuses”, mais sans explication, faute d’utiliser l’effet CREIL !). La loi de Hubble qui lie le rougissement aux distances doit d’abord être corrigée en éliminant les rougissements intrinsèques dus à l'effet CREIL à proximité des astres. La loi ainsi corrigée peut être facilement interprétée par un effet CREIL dans un espace intergalactique contenant un gaz à 2,7K relativement homogène, donc produisant un rougissement approximativement proportionnel à la distance.
Souvent aussi, on objecte que si les quasars étaient des étoiles ils devraient être plus nombreux dans le plan de la Voie lactée qu'en dehors. Mais l'effet CREIL bouleverse les notions usuelles de distance dans l'espace, de sorte que les statistiques usuelles, fondées sur les distances, peuvent être mises en doute. D'autre part, les observations de Halton Arp montrent que les quasars sont des astres assez mobiles qui ont pu diffuser hors du plan de la galaxie, de sorte que, pour eux, la notion de « plan de la galaxie » n'a pas grand sens. Enfin, la forte luminosité des étoiles à neutrons envisagées permet de les placer dans les autres galaxies.
En fin de vie, les étoiles très lourdes s'effondrent sur elles-mêmes tout en expulsant de la matière probablement sous l'effet d'explosions produites par la fusion de couches superficielles brusquement chauffées, et sous l'effet de la force centrifuge due à la réduction de leur moment d'inertie, donc à l'augmentation de leur vitesse angulaire, dans l'hypothèse d'une faible perte de moment cinétique sous l'effet de cette éjection. A cette évolution complexe et brutale succède finalement un stade plus calme d'étoile à neutron « accretor » dans lequel un noyau très dense, d'un diamètre probablement inférieur au kilomètre absorbe les gaz qui l'entourent, dont la chute et la fusion produit superficiellement une énergie qui monte la température au delà de 1 000 000 K, de sorte que les émissions optiques sont intenses jusqu'au domaine des rayons gamma. En dépit de leur faible taille, les accretors devraient être observables, mais ils n'ont JAMAIS été observés.
En tenant compte du nuage qui entoure l'étoile au stade d'accrétion, on obtient, par un calcul de spectroscopie classique, un spectre très complexe qui s'avère coïncider avec un spectre de quasar, et qui est loin d'un spectre Doppler pur. En utilisant l'effet CREIL, un spectroscropiste résout donc, par de la physique élémentaire, le problème du devenir des étoiles à neutrons, de l'origine des quasars, et de l'étrangeté observée de leur spectre.
Dans le cas des galaxies, l'effet Doppler et l'effet CREIL (froid, dans la traversée du gaz intergalactique à 2,7K) donnent à peu près la même signature. Ils peuvent se combiner, et le dosage est à priori incertain. L'expansion de l'univers, conséquence de l'effet Doppler utilisé seul, est d'autant plus douteuse que la seconde “preuve” majeure du big-bang, l'existence du rayonnement thermique à 2,7K, s'explique par l'énergie perdue par les rougissements dus à l'effet CREIL. L'effet CREIL participe aux processus thermiques. L'isotropie du rayonnement à 2,7K s'explique simplement : les molécules qui, dans tous les points de l'espace rougissent le rayonnement des étoiles amplifient le rayonnement thermique plus dans les directions et aux fréquences où il est le plus froid, ce qui fait tendre vers un équilibre de rayonnement de corps noir. Il y a aussi un effet CREIL particulièrement intense parce qu'il est résonant, entre les rayons constituant le rayonnement thermique.
L'application de l'effet CREIL aux ondes de Pioneer est aussi une hypothèse, mais doit-on lui préférer la destruction proposée de la loi de Newton (revue par Einstein) ? Doit-on préférer à l'utilisation de l’effet CREIL dans l'étude des quasars l'introduction d'une matière noire inconnue, une variation d'une constante physique connue avec précision (constante de structure fine), une étrange synthèse du fer dans des astres jeunes, une négation des périodicités spectrales observées par de nombreux auteurs, etc. ? Tout ou presque est hypothèse en astronomie, mais l'effet CREIL s'applique bien à beaucoup d'observations qu'on expliquait mal. Les explications qu'il donne ne conduisent pas aux vitesses ahurissantes déduites de l'effet Doppler. On a attribué des vitesses d'expansion aux astres car l'effet Doppler semblait incontournable. Il faut réviser notre jugement.
Pour répondre aux critiques, nous distinguons les effets physiques (avérés) des hypothèses (qui peuvent ne pas correspondre à la réalité). Ce n'est pas le cas de certains de nos contradicteurs qui prennent les hypothèses pour de faits établis et contestent les réalités physiques ou réciproquement. Pour nous, il y a ce qui est avéré, fruit en général de nombreux recoupements indépendants, ces recoupements provenant, pour les quasars, de l'obtention de leurs nombreuses caractéristiques spectrales avec un minimum d'hypothèses classiques. A côté de l’avéré, il y a ce qui est probable, ce qui l'est peu, et ce qui est faux. Effet Doppler et effet CREIL sont avérés. Les hypothèses que nous avançons pour les autres observations, et qui découlent de l'existence de l'effet CREIL, sont très probables, et nous les préférons à ce qui est plus douteux. Dans la théorie standard (sans l'effet CREIL), il y a beaucoup de douteux.
Il nous manque l'aval d'astronomes influents, mais la science étant une, ceux-ci devraient se ranger à l'avis des spectroscopistes. Nous avons bon espoir, car toutes les critiques négatives reçues jusqu'à maintenant ont été faciles à réfuter. L'effet CREIL ne se manifestant pas uniquement dans un seul cas, il suffira qu'on l'accepte, par exemple pour les quasars ou pour Pioneer, pour que son intervention apparaisse naturelle dans d'autres cas. Les réticences de certains à admettre l'effet CREIL ont pour source l'ignorance naturelle de l'optique de la lumière cohérente, qui n'est bien connue que de ses spécialistes. Le passage des connaissances d'une discipline à l'autre n'est pas immédiat, car la science a tellement de facettes qu'il est impossible de tout connaître. La caution des spécialistes de l'optique, alliée à la simplicité retrouvée pour l'univers, finiront par convaincre les astronomes.
Pour en faciliter la lecture, aucun calcul n’est développé, et des liens internes renvoient à des explications de termes techniques. La théorie de l'effet CREIL a été publiée dans plusieurs revues d'optique ou de spectroscopie dotées d'un comité de lecture (en particulier : Quantum and semiclassical optics, Journal of quantitative Spectroscopy and radiational transfer, IEEE transactions on plasma science) et dans des revues moins cotées comme les Annales de physique,. La copie des articles originaux est accessibles sur le serveur *www.arxiv.org*. Ce serveur contiennent l’essentiel de la matière des publications récentes de Jacques Moret-Bailly, avec les calculs et les références à des auteurs antérieurs. Les liens situés entre astérisques * ne sont pas des liens internes.
Introduction.
Enseignant l'optique, en établissant une classification des interactions entre la lumière et la matière, j'ai mis en évidence, dès 1967, un effet inconnu jusque là, que je nomme maintenant "Effet Raman Cohérent agissant sur une Lumière temporellement Incohérente" : sigle "CREIL" en anglais (ou "ERCIL" ou "ILCRS" dans certaines publications originales antérieures à 2003). L'effet CREIL s'applique surtout à l'astrophysique.
Les molécules mono ou poly atomiques émettent ou absorbent de la lumière (ou, plus généralement, les ondes électromagnétiques) à des fréquences bien définies. Dispersant par un prisme (ou un dispositif plus performant) le pinceau de lumière ayant traversé un gaz, on observe un spectre présentant des raies d'émission brillantes ou d'absorption sombres qui caractérisent ces molécules.
Les raies inscrites dans les spectres des astres sont décalées, en général vers les basses fréquences, c'est à dire, dans le spectre visible, vers le rouge ; bien qu'impropre dans le cas des ondes électromagnétiques invisibles, le terme "rougissement" sera utilisé pour caractériser les décalages vers les basses fréquences.
En astrophysique, les décalages sont généralement attribués à l'effet Doppler dû à une variation de la distance de l'observateur à la source ; une autre possibilité, formellement équivalente, est que l'Univers (appelé "éther" au dix-neuvième siècle) est en expansion. Il y a vingt ans des centaines d'articles mettaient déjà cette attribution en doute.
De nombreuses alternatives proposées pour remplacer l'effet Doppler ne sont pas convaincantes car elles brouillent les images et les spectres ; parmi elles on trouve la diffusion Raman ordinaire. Ainsi, faute d'une alternative satisfaisante, une énorme construction branlante, la théorie du "big-bang" a été échafaudée, avec des variantes innombrables, au prix d'une dissimulation de ses failles par des hypothèses de plus en plus invraisemblables, défiant toutes les lois de la physique, par exemple l'hypothèse d'une matière noire indécelable, mais douée de propriétés étonnantes.
L'effet Raman cohérent en lumière incohérente ( CREIL) est à prendre en compte car il n'a pas ces défauts ; de plus le CREIL produit un rayonnement thermique qui peut être le rayonnement cosmologique à 2,7K et des rayonnements attribués à de la poussière chaude. Son rejet est manifestement dû à l'application d'une théorie aberrante nommée "électrodynamique quantique" dont les spécialistes prédisaient à Townes, l'inventeur du maser et du laser, que ceux-ci ne fonctionneraient pas. L'électromagnétisme classique résout tous les problèmes fondamentaux, mais des recettes de l'électromagnétisme quantique peuvent être plus performantes que la méthode classique, ce qui a attiré à elle de nombreux adeptes qui ont perdu de vue les raisonnements classiques pourtant bien assis.
Pour qu'une diffusion de lumière soit cohérente, il faut que toutes les molécules situées sur une surface d'onde rayonnent en synchronisme, c'est à dire que leur phase soit liée de la même façon à la phase de l'onde incidente.
Lorsqu'un impulsion lumineuse de fréquence ν atteint une molécule, elle excite cette molécule, c'est à dire elle oblige la molécule à quitter le minimum de potentiel dans lequel se trouve cette dernière ; ce minimum de potentiel est appelé état stationnaire d'énergie (ou état propre) E0 ; l'excitation est généralement transitoire parce qu'en général il n'existe pas un état propre d'énergie E1 tel que la valeur absolue de E1-E0 soit égale à hν ; pendant l'excitation transitoire la molécule rayonne un champ électromagnétique d'une part à la fréquence excitatrice ν, d'autre part à des fréquences νi=ν+(E0-Ei)/h., où Ei est l'énergie correspondant à un certain minimum de potentiel i. Ces deux types de rayonnement sont qualifiés respectivement "Rayleigh" et "Raman".
Considérons d'abord la diffusion Rayleigh. Les points d'une surface d'onde associée à une source de lumière sont atteints simultanément par une impulsion issue de la source ; toutes les molécules situées sur cette surface d'onde sont excitées de la même façon. L'onde Rayleigh émise par chacune de ces molécules s'amorce, et reste en quadrature avec l'onde incidente ; en cas de collision, le rayonnement se réamorce encore en quadrature. Ainsi toutes les molécules situées sur une surface d'onde restent synchrones et génèrent une onde cohérente en volume.
L'onde incidente et l'onde diffusée par toutes les molécules interfèrent en tous points puisqu'elles ont les mêmes surfaces d'onde. Comme les ondes ont la même fréquence, il en résulte une onde unique de phase intermédiaire, donc retardée par rapport à la phase de l'onde incidente : la diffusion Rayleigh cohérente est la réfraction.
Cette description ne tient pas compte du nombre fini de molécules donc d'ondelettes, alors que la construction d'Huygens suppose un nombre infini d'ondelettes ; d'autre part, si l'onde diffractée réapparaît en quadrature après un choc, sa phase et son amplitude peuvent varier pendant le choc ; ces imperfections provoquent l'émission d'une faible onde de phase aléatoire ; l'interférence des ondes émises par toutes les molécules ne construit pas une surface d'onde bien déterminée, on obtient une diffusion faible, dans quasiment toutes les directions : c'est la diffusion Rayleigh incohérente constituant, à partir de la diffusion de la lumière du Soleil, le bleu du ciel.
Il est beaucoup plus difficile d'obtenir une diffusion Raman cohérente car si la différence de phase entre onde diffusée et excitatrice est nulle à l'arrivée d'une impulsion lumineuse, cette différence croît linéairement avec le temps, de sorte que le réamorçage d'une diffusion après une collision introduit une phase aléatoire : il est nécessaire que les impulsions de lumière soient assez brèves pour qu'il n'y ait pratiquement pas de collision pendant la durée d'une impulsion.
Les impulsions qui constituent la lumière ordinaire (temporellement incohérente) ont une durée de l'ordre de 5 nanosecondes ; la pression de gaz préservant la cohérence spatiale de la diffusion dépend de la nature du gaz et de la température ; son ordre de grandeur est de quelques pascals (La pression atmosphérique normale est 101 300 pascals).
La longueur de cohérence limite en général la diffusion à une faible amplitude.
Interférence de l'onde diffusée avec l'onde excitatrice.
L'interférence de deux ondes de fréquences légèrement différentes produit des battements : on calcule classiquement que la somme des deux fonctions sinusoïdales est une fonction d'apparence sinusoïdale, de fréquence intermédiaire, modulée en amplitude. Un spectromètre utilise cette modulation pour séparer les deux fréquences qui ont été mélangées, à condition que cette modulation soit détectable. Au début de l'impulsion excitatrice, les ondes incidente et diffusée sont en phase de sorte que l'amplitude est maximale et sa dérivée est nulle ; l'amplitude varie donc très peu juste après l'instant initial de l'excitation ; si l'impulsion est nettement plus courte que la période des battements, c'est à dire la période de résonance Raman, l'amplitude est pratiquement constante, on ne peut pas distinguer deux fréquences : la diffusion ne fait pas apparaître une nouvelle fréquence, mais modifie cependant la fréquence de l'onde incidente ; un calcul élémentaire confirme ce résultat et montre que la variation relative de fréquence Δν/ν dépend très peu de la fréquence ν. et est proportionnelle à la fréquence Raman dans la limite où il y a interférence en une fréquence unique.
Comme les deux ondes fusionnent en une onde unique la longueur de cohérence est infinie, la diffusion peut être intense, produisant des variations importantes de fréquence.
La période de transition Raman doit être notablement supérieure à la durée des impulsions, soit environ 5 ns, ce qui correspond à un train d'onde de 1,5 mètres environ ; il faut donc avoir des transitions Raman de très faible énergie, correspondant à des longueurs d'onde supérieures à 1.5 m, donc des fréquences très inférieures à 150 MHz, ce qui est le domaine du mégahertz.
La loi de Planck permet d'attribuer à un mode optique une température qui est la température d'un corps noir susceptible de générer l'amplitude qu'a l'onde dans ce mode. Un effet Raman modifie l'état des molécules qui le produisent. Pour obtenir un régime stationnaire, il faut que les molécules reviennent à l'état initial ; ce retour doit être rapide dans le cas d'un effet cohérent car il doit se produire pendant l'impulsion excitatrice. Aux pressions élevées, le retour peut être provoqué par une collisions, mais pour le CREIL les collisions doivent être négligeables : il FAUT donc revenir à l'état initial par un processus optique ; le plus simple est un effet Raman cohérent opposé.
Le CREIL est donc un ensemble de deux effets Raman cohérents. Conformément aux règles de la thermodynamique, il faut que le l'énergie soit transférée du chaud vers le froid. D'où la définition du CREIL :
Le CREIL est un échange d'énergie qui, en respectant la cohérence volumique, accroît l'entropie d'un ensemble de modes d'ondes électromagnétiques temporellement incohérents ; l'échauffement d'un mode correspond à une augmentation de sa fréquence. Le CREIL a besoin, comme catalyseur, d'un gaz dont, d'une part le temps collisionnel et, d'autre part au moins une période de résonance quadrupolaire, sont supérieurs au temps de cohérence des modes.
Conditions d'observation de l'effet CREIL.
Pour que le temps collisionnel d'un gaz soit supérieur à 5 ns, il faut que cette pression soit inférieure à quelques pascals ; cette évaluation est très grossière car le temps collisionnel dépend de la nature, de la température et de la pression du gaz.
Une résonance quadripolaire (Raman) dans le domaine du mégahertz correspond à une transition hyperfine. D'autres transitions sont possibles, entre des niveaux Zeeman par exemple.
Ces deux conditions rendent une éventuelle observation du CREIL au laboratoire, très coûteuse. On remarque que ces conditions définissent les impulsions qui forment la lumière naturelle comme des impulsions ultracourtes : une impulsion est "ultracourte" si elle est plus courte que toutes les constantes de temps optiques du système étudié. Il existe des lasers fournissant des impulsions femtoseconde, donc ultracourtes pour la matière condensée et les résonances de l'infrarouge. Mais la puissance instantanée de ces lasers, nécessaire pour une détection, est si grande que les glissements de fréquence dépendent de cette puissance. Cet effet, connu sous le nom d'"Impulsive Stimulated Raman Scattering" (ISRS) est couramment utilisé.
Les modes froids sont habituellement les modes thermiques, à 2,7K dans l'espace, sauf au voisinage des astres brillants ayant un rougissement intrinsèque dû au CREIL important : près de ces astres, le CREIL peut élever la température du rayonnement thermique à plusieurs centaines de kelvins.
La différence de température entre les modes froids et chauds est habituellement très grande, de sorte que les transferts d'énergie entre modes sont beaucoup plus limités par le catalyseur que par la thermodynamique : ils ne dépendent plus que de la polarisabilité des molécules. La dispersion de la polarisabilité étant faible, les glissements relatifs de fréquence Δν/ν dépendent peu de ν.
Propagation de la lumière dans l'hydrogène atomique neutre
Les niveaux de l'atome d'hydrogène sont caractérisés par le nombre quantique principal n = 1, 2, et nous négligerons l'éclatement de ces niveaux en fonction des autres nombres quantiques. Les transitions entre le niveau n=1 d'une part, et les niveaux n=2, n=3… d'autre part sont notées Lyman α pour n=2, Lyman β pour n=3,….
Supposons qu'une lumière, dont le spectre est continu jusqu'au domaine des rayons X, traverse de l'hydrogène atomique neutre, sous faible pression. Supposons aussi que la température de l'hydrogène soit trop faible pour que les niveaux de nombre quantique principal n supérieur à 1 soient peuplés par les collisions avec les autres atomes.
Toutes choses égales par ailleurs, le CREIL est proportionnel à la fréquence de résonance Raman. Il faut rester dans le domaine du mégahertz. En conséquence, faisant décroître cette fréquence à partir d'une valeur élevée, comme 1 GHz, le CREIL apparaît assez brusquement puis décroît. En effet, la résonance quadripolaire hyperfine dans l'état fondamental n=1 se produit à la fréquence 1420 MHz trop élevée pour le CREIL. L'écart des niveaux hyperfins est, grossièrement, proportionnel à 1/n3, de sorte que le CREIL passe par un maximum net pour n=2, les valeurs exactes des fréquences de résonance étant alors 178 MHz dans l'état 2s1/2, 59 MHz dans 2p1/2 et 24 MHz dans 2p3/2.
La contribution au CREIL de niveaux n>2 peut être négligée en première approximation car, d'une part les fréquences de résonances sont peu élevées, d'autre part ces niveaux sont peuplés plus difficilement que le niveau n=2.
Pour un faisceau cylindrique de lumière, en régime stationnaire, le nombre d'atomes excités sur le niveau n=2 est, en première approximation, proportionnel à l'intensité absorbée à la fréquence de la raie Lymanα, de sorte que le rougissement est proportionnel à l'intensité absorbée par la raie Lyman α.
Si l'intensité initiale de la lumière au voisinage de la fréquence Lymanα est suffisante, le rougissement atteint la largeur de raie avant absorption complète, de sorte que l'intensité absorbable est renouvelée et le rougissement est permanent. L'intensité absorbée a une valeur critique Ic qui ne dépend pas de l'intensité initiale : en conséquence les variations d'intensité dans le spectre sont amplifiées en valeur relative, le contraste des raies est accru.
Si l'intensité initiale est inférieure à Ic, l'absorption Lymanα est totale avant que le rougissement atteigne la largeur de raie, aucun atome n'est pompé au delà de la zone d'absorption dans l'état n=2, le rougissement disparaît. En l'absence de rougissement ainsi obtenu, les absorptions se produisent à des positions fixes et sont ainsi beaucoup plus intenses ; toutes les raies d'absorption du gaz et de ses impuretés s'inscrivent visiblement dans le spectre.
Si la valeur de l'intensité inférieure à Ic résulte d'une absorption préalable par une raie quelconque, le faible rougissement produit, en particulier, par les atomes dans l'état n=3 finit par amener une région où il n'y a pas eu d'absorption en coïncidence avec la raie Lymanα, de sorte que le rougissement rapide qui rend les absorptions inobservables réapparait.
Ainsi, chaque fois qu'une raie absorbée arrive, par rougissement de la lumière, à la fréquence de la raie Lymanα, tout le spectre du gaz s'inscrit dans la lumière.
Lorsque la raie Lymanβ inscrite dans le spectre arrive, par rougissement, en coïncidence avec la raie Lymanα, toutes les raies sont inscrites, si bien que cette coïncidence de raies lie deux motifs d'absorption de l'hydrogène, l'un rougi, l'autre non. Cette association se reproduit par coïncidence γ α, puis avec les raies nouvellement inscrites.
La différence de fréquence Δν entre la raie β (respectivement γ) et la raie α, divisée par la fréquence de la raie α vaut environ 0,1852 (resp. 0,25), soit, approximativement 3*0.0617 (resp. 4*0.0625) ; * ces variations relatives de fréquence, maintenues au cours du rougissement, obéissent à une périodicité 0,062. *
Les raies d'émission se reproduisent de la même façon que les raies d'absorption, les émissions apparentes étant, en fait, des diminutions d'absorption.
Les quasars sont des étoiles à neutrons en période d'accrétion.
Le volume d'une étoile résulte d'un équilibre entre la gravitation et une pression due à une haute température entretenue par la transformation des éléments légers en éléments de masses moyennes. Lorsque cette transformation s'achève, une étoile assez lourde se contracte fortement et sous la très forte pression résultante les électrons se combinent aux protons pour former des neutrons.
Pour que cette étoile respecte le principe d'invariance du moment cinétique total de ce système isolé dans l'espace, la vitesse angulaire doit augmenter pour compenser la diminution du moment d'inertie dû à la contraction (c'est ce qui arrive au patineur qui abaisse ses bras). En fait, l'accroissement de force centrifuge provoque une éjection de matière qui finit par emporter l'essentiel du moment cinétique, et l'étoile retrouve sa stabilité. Ce stade d'évolution des étoiles à neutron est précisément prévu par la théorie. Une étoile, un peu plus massive que le Soleil, aura finalement un volume inférieur au volume de la Terre quand il sera parvenu à ce stade.
Lorsque l'essentiel du moment cinétique a été dissipé, l'étoile peut réabsorber une partie du nuage qu'elle a éjecté. L'apport de matière (appelé accrétion de matière) produit à la surface de l'étoile une énorme densité d'énergie, de sorte que l'étoile doit devenir très chaude (des centaines de milliers de kelvins en surface) et être beaucoup plus visible que les étoiles à neutrons ayant terminé l'accrétion. Mais on n'a JAMAIS vu une telle étoile à neutrons. Tout cela reste théorique.
Imaginons le spectre d'une étoile à neutrons en état d'accrétion, c'est à dire le spectre d'un petit objet très brillant entouré d'un nuage d'hydrogène sale (hydrogène mêlé à d'autres matières).
Très près de l'étoile, la température est si élevée que l'hydrogène est complètement ionisé et ne possède donc pas de spectre. Les impuretés émettent des spectres dans des états plus ou moins ionisés car la température du gaz est plus élevée que la température du rayonnement pour deux raisons : la surface de l'étoile n'est pas un corps noir, et le gaz peut être surchauffé par des collisions avec des particules s'accrétant ou émises par l'étoile. Ces spectres d'émission sont traditionnellement utilisés pour définir le rougissement des quasars.
Plus loin de l'étoile, température et pression décroissent, donc électrons et protons s'assemblent en hydrogène atomique neutre ; dans son premier état excité n=2 celui-ci produit un rougissement, et il apparaît des raies dont les rougissements diffèrent par des multiples entiers de 0,062. Cependant, lorsque la température est encore élevée (20 000K), le niveau n=2 est toujours un peu excité thermiquement, de sorte que le rougissement n'est jamais nul, et les raies sont donc larges. Leur largeur décroît avec la décroissance de la température.
En s'éloignant de l'étoile, la densité de gaz est d'abord relativement élevée de sorte que l'équilibre thermique entre le gaz et le rayonnement aux fréquences de résonance dipolaires est atteint sur une grande partie de la largeur des raies : ainsi les raies ont la forme d'auges.
En s'éloignant de l'étoile, la température du rayonnement décroît moins vite que la température du gaz si bien qu'il apparaît d'abord des raies d'émission, puis une absence de raies (les températures étant voisines), enfin des raies d'absorption.
Ce processus est cependant troublé par une puissante et fréquente émission radio par l'étoile : tant que la pression du gaz autorise une ionisation analogue à celle qui règne dans nos tubes à décharge, le gaz s'ionise, de sorte qu'il n'y a ni absorption, ni rougissement notables, pas de formation des raies larges en forme d'auge.
Plus loin, la pression diminue et les raies s'affinent, formant une forêt.
Encore plus loin, le rougissement n'apporte plus assez d'énergie aux fréquences Lyman. L'hydrogène se refroidit, devient moléculaire, et émet la fréquence 1420 MHz.
A ce stade d'évolution, * les étoiles à neutrons, nommées "accretors" ont exactement le spectre que l'on observe des quasars *. Elles semblent, paradoxalement ne pas être vues, parce que lorsqu'elles sont détectées, elles sont nommées quasars. Le quasar étant placé à la distance de plusieurs milliards d'années-lumière qu'on lui attribue d'habitude par l'effet Doppler, il a une luminosité faramineuse, incompatible avec celle d'une étoile à neutrons, qui reste de l'ordre de celle d'une étoile ordinaire. Une étoile à neutrons ne serait pas vue à cette distance. Avec l'effet CREIL, il n'y a plus d'incompatibilité entre cette étoile et le quasar, car il est beaucoup plus proche.
Les galaxies de Seyfert sont souvent comparées aux quasars, bien que leurs images soient troubles et leurs spectres pauvres. Elles pourraient être des étoiles à neutrons entourées d'un halo particulièrement dense et turbulent.
Glissements de fréquence sur le disque solaire.
Ces glissements sont variables suivant le point du disque observé ; ainsi ils se séparent en trois composantes :
- une composante Doppler, correspondant au rapprochement ou l'éloignement du point d'émission dû à la rotation ;
- une composante gravitationnelle constante ;
- une composante proportionnelle à l'épaisseur de couronne traversée : elle est due au CREIL dans la couronne.
Bleuissement des émissions radio de Pioneer 10 et 11.
Jerry Jensen a remarqué que ce bleuissement peut être attribué au CREIL : Entre Pioneer et la Terre, les molécules sont soumises à trois types de rayonnement :
- le rayonnement solaire, intense aux fréquences élevées, donc rougi par perte d'énergie, source d'énergie pour un bleuissement des autres rayonnements ;
- le rayonnement thermique à 2.7K dont l'énergie est comparable au rayonnement reçu du Soleil à ces basses fréquences ;
- l'émission radioélectrique de Pioneer, un peu plus intense que le rayonnement thermique, mais dans un seul mode.
La seule théorie autre que le CREIL proposée pour rendre compte du bleuissement de ce rayonnement est un effet Doppler dû à une attraction solaire supérieure à l'attraction newtonienne. Il serait facile d'arbitrer entre les deux explications : en supprimant la modulation de l'émission radio, le CREIL disparaît.
On pourrait faire une spectroscopie du gaz responsable de ce bleuissement en émettant des impulsions à des instants aléatoires (pour éviter un effet de moiré), et en étudiant la variation du bleuissement en fonction de la durée des impulsions.
Conclusion : Disparition des preuves majeures du "big-bang".
Les spectres de tous les objets subissent un glissement de fréquence dont la valeur relative Δν/ν ne dépend pas de la fréquence ν, et explicable par la présence de molécules actives en CREIL dans l'espace. Nous avons vu qu'une spectroscopie de ces molécules dans le système solaire est possible en utilisant des sondes du type Pioneer.
Le rougissement est accompagné d'une amplification du rayonnement thermique interprété comme dû à des poussières près des astres brillants, et au "big-bang" ailleurs.
Le CREIL donne une explication de toutes les observations spectroscopiques beaucoup plus simple que l'"explication" par le "big-bang", sans étranges "matières noires", sans étranges processus de formation de fer hors de vieilles étoiles, etc.
CREIL fournit une alternative à l'effet Doppler, qui reste incontestable pour expliquer le déplacement des raies des astres en mouvement, mais qui est utilisé de façon trop universelle. La loi de Hubble, si on la fonde sur l'effet Doppler, s'applique mal aux quasars, alors que l'effet CREIL replace ces astres à petite distance, en étoiles en fin de vie. L'expansion de l'univers n'est plus une fatalité car l'effet CREIL s'applique aussi aux galaxies lointaines, l'espace intersidéral contenant de l'hydrogène. L'expansion peut ne pas exister. Notre vision de l'univers est modifiée.
Pour étudier la propagation des ondes dans un milieu isotrope, Huygens construit une surface d'onde inconnue à partir d'une surface d'onde proche de la façon suivante :
Il suppose que tous les points de la surface d'onde connue émettent des ondes sphériques représentées après un court instant de propagation par des petites surfaces d'onde sphériques, ou "ondelettes" ; l'enveloppe de ces ondelettes est une nouvelle surface d'onde.
La géométrie de la construction d'Huygens est identique à la géométrie de la diffusion cohérente, bien que phénomène soit très différent : en diffusion cohérente les sources sont réelles et leur nombre est grand, mais fini.
Diffusion Rayleigh et absorption.
Une diffusion Rayleigh est une diffusion dont la fréquence est la même que la fréquence de la lumière excitatrice. La phase de l'onde diffusée est en général, en moyenne, en retard de π/2 par rapport à la phase de l'onde incidente. L'onde cohérente diffusée interfère avec l'onde incidente pour donner une onde retardée : c'est la réfraction.
Une première correction tient compte de perturbations lors d'interactions entre molécules qui provoquent des déphasages aléatoires brefs. Il en résulte une émission incohérente, la diffusion Rayleigh incohérente qui, dans l'atmosphère éclairée par le Soleil, produit le bleu du ciel.
Une seconde correction correspond à l'énergie nécessaire pour polariser dynamiquement les molécules. Cette polarisation par le passage de la lumière qui correspond à un déplacement du minimum de potentiel de la molécule, peut être observée, fournissant une détection non destructive de la lumière. L'énergie nécessaire, non quantifiée, est absorbée via un déphasage de l'onde diffusée entre π/2 et 3π/2 lors de l'accroissement de l'amplitude de la lumière excitatrice, et restituée lors de la décroissance de cette amplitude.
Si, avec l'aide du "champ du point zéro" une molécule est suffisamment excitée pour franchir un col entre son minimum de potentiel initial et un autre minimum, la molécule émet un champ de phase en moyenne différente de π/2. L'énergie correspondante, positive ou négative, modifie, par interférence, essentiellement l'intensité du faisceau excitateur : c'est l'absorption ou l'émission cohérente.
La diffusion Raman est une interaction entre une molécule mono- ou poly atomique (ou un système plus complexe) et deux ondes électromagnétiques de fréquences différentes ; une d'entre elles est absorbée par la molécule, l'autre est émise. La différence des fréquences de ces ondes νa- νb appelée fréquence Raman est, au facteur h près, égale à la différence des énergies des niveaux de départ et d'arrivée. On peut se représenter l'effet Raman en supposant qu'un premier oscillateur est excité par l'onde incidente, et que cet oscillateur transfère de l'énergie à un second oscillateur source du rayonnement diffusé.
Habituellement, pendant une impulsion de lumière, les molécules subissent de nombreux chocs qui les désexcitent, de sorte que l'instant de départ de l'excitation est différent pour chaque molécule ; les phases des ondes émises sont quelconques, la diffusion Raman ordinaire est incohérente donc faible et peu orientée.
Lorsqu'une source d'ondes monochromatiques et un récepteur s'éloignent l'un de l'autre, leur distance augmente. L'onde, ayant une vitesse finie, arrive distendue au récepteur, car celui-ci s'est éloigné pendant son trajet ; il y a abaissement de la fréquence reçue ; c'est un décalage des fréquences vers le rouge s'il s'agit de lumière visible. Cet effet est observé aussi avec les ondes acoustiques lorsqu'un véhicule bruyant passe à côté d'un observateur. L'effet opposé se produit lorsque source et observateur se rapprochent.
En 1917, Einstein distingua les émissions "spontanées" qui se produisent même dans l'obscurité et les émissions "induites" qui sont des amplifications de l'énergie contenue dans un mode du champ. L'étude des lasers vérifie que l'émission spontanée est une émission induite par le "champ du point zéro".
Interactions cohérentes et incohérentes :
L'émission d'une onde par une source est toujours limitée dans le temps ; une source est dite cohérente si son émission peut être représentée par une fonction sinusoïdale limitée à la durée d'une expérience. Une source qui émet des impulsions à des instants aléatoires est incohérente ; elle a, en pratique les mêmes propriétés qu'une source émettant une seule impulsion.
Lorsqu'une source de lumière est un gaz dilué chaud ou excité par une décharge électrique, l'émission de lumière est discontinue, formée d'impulsions dont la durée est de l'ordre de 5 nanosecondes ( 5x10-9 s ) ; à plus haute pression, ou dans un milieu dense, les durées d'émission sont encore plus courtes. Comme les impulsions sont indépendantes, leurs phases à l'origine sont quelconques, incohérentes.
Considérons des molécules (ou autres petits systèmes) situées sur une surface d'onde réelle (ou virtuelle, c'est à dire une surface ayant les propriétés géométriques d'une surface d'onde) émettant des ondes en phase (par exemple diffusion cohérente de lumière). Supposons que les variations de l'indice de réfraction du milieu sont négligeables à l'échelle de la distance moyenne L des molécules. Une molécule émet en général une onde par l'intermédiaire d'un dipôle électrique oscillant ou d'un quadripôle ; cette onde est qualifiée de "sphérique", bien que l'onde ne soit pas invariante par une rotation d'un repère dont l'origine est la molécule, car elle construit des surfaces d'onde qui sont des sphères centrée sur la molécule. Appelons "ondelettes" les surfaces d'onde sphériques ayant un rayon bien défini de l'ordre de L.
La figure formée par ces ondelettes est identique à la figure de la construction d'Huygens, le nombre d'ondelettes d'Huygens étant toutefois infini. En supposant que le nombre de molécules est très grand, on a, avec une bonne approximation, la construction d'Huygens, l'enveloppe des ondelettes est une surface d'onde déduite par propagation de la surface d'onde initiale. Ainsi, si des molécules émettent de la lumière avec une phase liée à la phase d'une lumière excitatrice, la lumière ainsi diffusée construit les mêmes surfaces d'onde que la lumière excitatrice, forme les mêmes images ; l'émission de lumière par les molécules est spatialement cohérente.
Si les surfaces d'onde et le système optique sont tels que la lumière converge en un point, les ondelettes arrivent avec la même phase en ce point, on doit ajouter les amplitudes de chaque ondelette, obtenant une amplitude totale proportionnelle au nombre n de molécules, donc une intensité proportionnelle au carré de ce nombre ; si les émissions n'étaient pas en phase (diffusion incohérente de lumière), l'intensité serait seulement proportionnelle à n : une diffusion de lumière cohérente est beaucoup plus intense qu'une diffusion incohérente.
3 Cohérence volumique et longueur de cohérence.
Telle que nous l'avons définie, la cohérence spatiale n'implique que les molécules situées sur une surface d'onde. Etudions l'extension des propriétés de cette cohérence spatiale à des molécules occupant un volume. Supposons, pour simplifier l'exposé en évitant l'usage d'intégrales, que le milieu est homogène. Soit L la longueur d'un rayon lumineux AB entre deux surfaces d'onde. Soient n1 et λ1, n2, et λ2 les indices de réfraction et les longueurs d'onde des ondes incidente ou diffusée. La différence de phase entre l'onde diffusée en A à son arrivée en B et l'onde diffusée en B est φ = 2πn1L/λ1 - 2πn2L/λ2. Pour qu'il n'y ait pas annulation d'ondes diffusées, il faut que |φ| soit inférieur à π, ce qui limite l'épaisseur utile du milieu diffusant à une "longueur de cohérence" qui est la valeur de L pour laquelle |φ| = π.
Un milieu est isotrope si ses propriétés ne dépendent pas de la direction ; les milieux anisotropes sont les cristaux (mais certains sont optiquement isotropes), et les milieux soumis à un champ électrique, magnétique, à une pression, etc.
Modes du champ électromagnétique.
Considérons les équations de Maxwell dans un milieu linéaire (le vide par exemple) avec des conditions aux limites fixées. En raison de la linéarité des équations, la somme de deux solutions est une solution.
On appelle "mode" une solution quelconque de ces équations. Deux modes sont "orthogonaux" si l'énergie de la somme est la somme des énergies. Un système complet de modes (de préférence orthogonaux) permet de développer un mode quelconque sous forme d'une combinaison linéaire. En théorie, on utilise souvent comme système de modes les ondes planes limitées par une boîte parfaitement conductrice en forme de parallélépipède rectangle ; ce système de modes n'est évidemment pas adapté à l'étude d'un système physique réel.
Etats stationnaires d'énergie d'une molécule mono- ou polyatomique.
A l'équilibre, les atomes et les molécules sont dans des "états" bien définis repérés par un ensemble de paramètres nommés "indices quantiques". Les indices quantiques utilisés pour l'étude des atomes légers sont simplement des nombres. Lorsque plusieurs états correspondent à la même énergie, ils sont dits "dégénérés". En particulier, lorsqu'une molécule n'est pas soumise à une perturbation externe, son énergie est indépendante de son orientation à laquelle correspond un indice quantique qui peut être un "nombre quantique magnétique" m ou M.
Une molécule peut passer d'un état d'énergie E1 à un état d'énergie E2 par interaction avec une onde électromagnétique ; alors E1-E2=hν , où ν est la fréquence de l'onde et h la constante de Planck (voir "photon") ; on peut, en théorie classique, considérer que ν est la fréquence d'un oscillateur interne à la molécule.
Les champs électriques et magnétiques dépendant du temps t se propagent ; ils vérifient un système d'équations dit "équations de Maxwell" qui permettent, en particulier de déduire le champ magnétique du champ électrique, de sorte qu'il suffit d'étudier le champ électrique. Une solution des équations de Maxwell est appelée "champ électromagnétique" ou "onde électromagnétique". Un champ électromagnétique simple est décrit, dans un repère trirectangle Oxyz , par un champ électrique ayant seulement une composante Ex parallèle à Ox , dont la valeur est : E=Ex=E0sin (2πν( t-z/λ)+φ) Cette onde sinusoïdale est plane car E ne dépend pas de x et y ; comme la fréquence ν est unique, l'onde est monochromatique ; λ est sa longueur d'onde ; sa vitesse de propagation λν est, dans le vide une constante universelle c très proche de 300 000 km/s. φ est la phase à l'origine qui dépend de l'origine de la variable temps.
Une onde sinusoïdale plane n'est pas physiquement réalisable car elle a une extension infinie dans l'espace et le temps ; mais on peut obtenir une onde ayant des propriétés voisines, par exemple en utilisant un laser. En pratique, si la période T=1/ν est beaucoup plus courte que la durée d'observation, une onde est considérée comme monochromatique.
La longueur d'onde peut varier de plusieurs kilomètres à quelques millimètres en radio, descendre à 0,8 micromètres en infrarouge, puis à 0,4 micromètres en lumière visible, beaucoup plus en ultraviolet puis en rayons X et rayons gamma.
Le terme "lumière", sans le qualificatif "visible" est souvent utilisé dans ce texte à la place d'"onde électromagnétique" quelle que soit la longueur d'onde.
Une particule est un objet qui ne peut être fractionné sans perdre l'essentiel de ses propriétés. En fractionnant la bouteille de vin que l'on vient d'acheter, on obtient des débris de verre et on perd le vin. Mais "bouteille de vin" peut aussi désigner seulement le contenu de la bouteille. En électrodynamique quantique, le photon est une particule qui ne peut pas être fractionnée, alors qu'en électrodynamique classique c'est simplement une énergie hν.
Planck et Einstein ont montré que l'énergie E échangée entre un champ électromagnétique de fréquence ν et une molécule (ou un autre système) qui change d'état stationnaire vérifie la relation E = hν, où h est la constante de Planck. Plus tard, pour fonder l'électrodynamique quantique, cette énergie fut considérée comme un quantum de lumière, une particule nommée "photon". Mais, une onde purement monochromatique doit être de durée infinie puisqu'une sinusoïde est définie sur un support infini : les ondes monochromatiques sont donc, pour le moins, très rares. Alors faut-il définir un photon correspondant à une onde réelle de durée finie qui, suivant la théorie de Fourier est polychromatique ? Pour une même énergie, il y aurait une infinité de photons possibles. Cette difficulté se résout facilement avec les ondes, le second membre de la relation de Planck écrite h=E/ν devenant l'intégrale de E(ν)dν/ν ; l'énergie échangée avec la molécule est fixée par la molécule.
Les observations spectroscopiques à très haute résolution qui ont commencé à l'époque de Michelson montrent que la lumière incohérente naturelle est constituée d'impulsions dont la durée peut atteindre 10 nanosecondes (10-8s).
Dans le vide, un métal pur éclairé à une fréquence ν émet des électrons si la fréquence ν est supérieure à une fréquence limite ν0 ; l'énergie cinétique des électrons émis par une couche mince du métal est égale à h(ν-ν0), où h est la constante trouvée par Planck en étudiant le rayonnement du corps noir. Einstein en a déduit qu'arracher un électron d'un atome du métal demande une énergie hν0. Plus généralement, lorsqu'un système (une molécule par exemple) passe d'un état stationnaire (c'est à dire d'un état d'équilibre) d'énergie E0 à un état stationnaire d'énergie E1, le système perd algébriquement une énergie E0 - E1 correspondant à un échange d'énergie de module hν avec une onde électromagnétique de fréquence ν. L'électrodynamique quantique suppose que cette énergie hν est celle d'une particule, le "photon", formant le champ électromagnétique ; l'électrodynamique classique utilise parfois par commodité le terme "photon", mais ce "photon"est la quantité d'énergie hν, non une particule (voir "photon").
Un quasar est un astre, assez lumineux pour être visible par les bons télescopes, dont le spectre révèle qu'il est entouré de beaucoup de poussières et de gaz. Ce spectre est très décalé vers le rouge. On écrit "astre", terme vague, car on en connaît mal la structure et la masse.
Si ce décalage est attribué à l'effet Doppler, le quasar s'éloigne à une très grande vitesse, et d'après la théorie de l'expansion de l'univers, il est très loin de nous, donc ultra lumineux, d'une masse probablement aussi élevée que celle des galaxies, et près des limites de l'univers.
Si le décalage est attribué à l'effet CREIL, le quasar est une étoile en fin de vie, en état d'accrétion, se transformant en étoile à neutrons, de la masse d'une grosse étoile, de grande luminosité, et lié à une galaxie. L'effet CREIL principal se produit là au voisinage du quasar, dans le gaz qui l'entoure, ce qui explique que le quasar peut être aussi proche que la galaxie hôte ou liée. La loi de Hubble ne s'applique plus aux quasars.
Rayonnement thermique et corps noir.
La gueule d'un four, petite ouverture d'une grande cavité, est noire lorsque le four est froid. Elle est appelée "corps noir". Lorsque le four est uniformément chaud (en fait à toute température, mais on ne le voit pas à l'oeil), elle rayonne un spectre continu, formé d'une infinité de fréquences, qui constituent le spectre thermique ou spectre du corps noir. Lorsqu'on élève la température du corps noir, l'intensité augmente plus rapidement aux hautes fréquences qu'aux basses, de sorte que le spectre se déplace vers les courtes longueurs d'onde. Le spectre du corps noir, ou spectre thermique est entièrement défini par la température du corps noir. Un corps noir porté à haute température émet de la lumière visible. Les corps réels sont rarement parfaitement noirs : leur spectre est déformé par rapport à celui du corps noir.
Comme l'électrodynamique quantique suppose l'existence de particules de champ électromagnétique, les "photons" d'énergie hν, il faut, conformément aux principes de la mécanique quantique, définir une onde qui donne la probabilité de présence des photons ; le champ électromagnétique classique joue le rôle de cette onde de probabilité, mais lorsque le photon est absorbé par une molécule, la probabilité se transforme en certitude de sorte que le champ électromagnétique initial est remplacé par un nouveau champ : c'est le postulat "réduction du paquet d'onde". En conséquence le champ électromagnétique perd sa réalité physique.
Au contraire, en électrodynamique classique le champ électromagnétique existe réellement en chaque point ; il permet d'expliquer par exemple :
- que, dans un milieu amplificateur d'un laser, un nombre fini de sources pratiquement ponctuelles génère une onde plane;
- qu'un champ électromagnétique de très faible intensité excite de temps en temps un récepteur photoélectrique.
La * démonstration de la "réduction du paquet d'onde" * en théorie classique fait appel au champ du point zéro
Rougissement des spectres des astres.
Les fréquences de raies spectrales observées en astrophysique sont généralement différentes des fréquences observées au laboratoire. Les variations de fréquence sont attribuées à un effet Doppler ; La variation relative de fréquence Δν/ν devrait être la même pour toutes les fréquences ν, alors que des écarts sont observés dans les spectres de certains quasars. L'effet CREIL fournit un spectre plus proche de la réalité.
Les spectres des astres sont d'autant plus déplacés vers le rouge que les astres sont lointains : Interprétant les rougissements par un effet Doppler, les galaxies nous fuient, et l'Univers est en expansion. Avec l'effet CREIL, les astres ne se délacent plus : ils sont simplement séparés de nous par de la matière ténue.
Le rougissement par effet Doppler ou effet CREIL correspond à des décalages de fréquences. Le rougissement d'un spectre peut aussi être obtenu par simple filtrage des différentes fréquences du spectre, sans décalage des raies qui changent seulement d'intensité.
Les physiciens étudient habituellement des ondes qui vérifient des équations linéaires. Les solutions de ces équations qui représentent les ondes sont telles que toute combinaison linéaire de deux solutions est une nouvelle solution ; réciproquement toute solution se décompose en solutions. Cette propriété interdit la recherche d'un point singulier ou simplement remarquable de ces ondes, point singulier qui pourrait repérer une particule.
Les solutions des équations non linéaires peuvent avoir des points remarquables, mais il est très difficile de résoudre ces équations : on ne sait en résoudre rigoureusement que quelques unes, et seulement dans une dimension. Une approche numérique est possible.
Le premier soliton observé expérimentalement fut une ride se propageant avec une perte d'énergie remarquablement faible dans un canal. En optique on étudie maintenant des filaments de lumière pour lesquels la lumière ne se diffuse pas dans deux directions et se propage dans une direction : pour cette raison , ces solitons sont notés "(2+1)D". En construisant un filament avec une impulsion, il semble qu'on puisse contraindre l'énergie à ne pas diffuser dans la direction de propagation, obtenant ainsi un soliton (3+1)D qui propage un "boulet" d'énergie. Pour représenter une particule susceptible d'être immobile, il faut construire un soliton (3+0)D.
Une onde électromagnétique peut, conformément à la théorie de Fourier, être décomposée en une somme d'ondes monochromatiques qui constitue son spectre.
Un spectre est dit discret ou polychromatique s'il est constitué d'un assez petit nombre d'ondes monochromatiques. On observe les raies spectrales correspondant à ces ondes monochromatiques en décomposant un pinceau de lumière par un prisme ou d'autres appareils.
Un spectre polychromatique émis par un gaz atomique chaud est généralement constitué de peu de raies brillantes : c'est un spectre d'émission.
Un spectre est dit continu dans une certaine gamme de fréquences s'il n'apparaît pas de variation rapide d'intensité en fonction de la fréquence. Toutes les fréquences sont occupées.
L'absorption d'un faisceau ayant un spectre continu par un gaz plus froid que la source de lumière fait apparaître des raies d'absorption sombres : on a un spectre d'absorption.
Les fréquences, les intensités relatives des raies d'émission ou d'absorption caractérisent les gaz dilués ; les spectres de la matière dense sont souvent trop flous pour le permettre.
On appelle surface d'onde (ou surface équiphase) une surface sur laquelle l'onde émise par une source a une phase donnée ; par exemple, les surfaces d'onde formées par une source ponctuelle dans un milieu homogène et isotrope sont des sphères centrées sur la source. Les rayons lumineux sont normaux aux surfaces d'onde. A la surface d'un liquide, les cercles produits par la chute d'un petit objet matérialisent des lignes d'onde, équivalentes aux surfaces d'onde dans l'espace.
Remerciement.
Je remercie Charles Weber pour les nombreux et utiles échanges de courrier lors de la rédaction d'une partie de ce texte ; ainsi que Jean Moret-Bailly qui a contribué à sa mise en forme.